[摘 要： 本文对水下切粒机的模板进行了深入的介绍和研究，利用先进的模拟软件对国产化的模板进行模拟和校核，使国产化模板结构机参数更加优化，达到了良好的使用效果。
关键词：水下切粒；模板；挤压造粒机组；国产化
目前，大部分煤制烯烃项目的主要产品为聚乙烯和聚丙烯，聚烯烃造粒过程是煤制烯烃产品的最后一道重要工序，其运行状况直接影响到烯烃产品的优劣与其在市场上的竞争力。目前，我国挤压造粒机组基本都是从德国WP公司、日本制钢所(JSW)、日本神户制钢所(Kobe)和美国法雷尔(Farrel)等公司引进，国内大型挤压造粒机组市场长期被国外厂商所垄断。近年来，大连橡塑先后成功研制并交付使用了10万吨/年、15万吨/年、20万吨/年聚丙烯及25万吨/年聚乙烯等多种规格型号的大型挤压造粒机组，打破了由国外企业垄断国内大型挤压造粒机组的市场格局。
水下切粒单元作为挤压造粒流程的重要环节，直接影响产品质量。对水下造粒单元的核心部件的研究具有实际意义。国内已有数家企业已实现了模板及切刀的国产化，运行中的性能及寿命已经可以与进口产品比肩。本文将对水下切粒机模板进行介绍和研究,并对国产化的模板进行一些介绍。
1、水下切粒机概述
传统的废塑料回收挤出造粒机的工作原理为通过单阶式或双阶式挤出机，将塑料熔融过滤，挤出拉条，再经冷却固化后切粒。水下切粒机是在不用拉条或不能拉条的条件下，在熔体挤出模面的瞬间与冷却水接触并直接切粒的一种新型机械，熔体切粒相对固态切粒有明显的优势。
1.1 水下切粒机的特点
由于塑料是在熔体状态下被切刀切下，经颗粒循环水冷却后凝固的，不同黏度的高聚物均可采用这种切粒形式，熔体状态下切粒不会形成任何粉尘，且切粒形状规整，包装、运输均比较方便；可根据挤出量自动匹配调节模头的出料量和切粒速度改变切粒的大小，也可人工采用不同刀片数时的刀架来改变切粒大小和形状；造粒工艺实现了自动化、操作方便、噪声较低、颗粒质量好，具有比传统拉条切粒更大的产——更低的能耗。
1.2 水下切粒机的工作原理
熔融状态的黏稠塑料流体在挤压机螺杆或熔融泵的推动下，进入加热到规定温度的密闭模板料腔内，通过缩径的出料孔在造粒带表面迅速被适当温度的颗粒冷却水冷却，熔融塑料膨胀表面瞬间固化。当表面固化的塑料连续生成到规定长度时，与模板造粒带平行且保持很近距离的切粒刀在模板出料孔的配合下将塑料剪断，生成规定范围内的颗粒。生成的颗粒随着冷却水被一起并输送到下游设备，对颗粒进行干燥和筛选，即完成了塑料生产的造粒过程。
1.3 水下切粒机主要设备组成
水下切粒单元的主要设备包括：模头、水室和刀盘组件。模头由模板和模板座组成。模板座通过一个带法兰的中间接筒连接到换网器的下游侧，模板连接在模板座的另一端。模板座的中心部分带有夹套，为圆锥形，它将使聚合物成管状层流流动。模板是一个有钻孔的热通道。模板上有多路加热介质的进、出喷嘴。为了有效地加热，供应到模板的热介质被分配到模板的每个内部热通道。
造粒模板结构主要包括两部分：不锈钢本体合金层造粒带，两者之间采用真空钎焊进行焊接。目前常用的造粒带材料、制备工艺及优缺点比较见表1｡
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表1
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常用造粒带材料比较
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材料
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与本体连接工艺
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硬度HRC
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耐磨性
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耐蚀性
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导热率
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焊接性能
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WC-Ni
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真空熔烧
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50-55
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较好
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较好
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较低
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较好
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WC-Co
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真空钎焊
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67-68
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很好
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差
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高
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差
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Ti-Fe
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真空钎焊
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61-63
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好
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较好
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高
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好
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TiC-NiCr
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真空钎焊
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61-63
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好
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很好
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低
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好
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目前，美国、德国、法国等国家均采用WC-Co硬质合金，日本则多采用TIC-Fe钢结硬质合金，WC-Ni因硬度低、耐磨性差已逐渐被放弃[1]。国内已研制出以WC-Co为造粒带的塑料造粒模板。
热水室由一个快速夹紧装置连接在模板上，切刀用螺栓固定在另一侧。颗粒水的进口、出口接头分别位于机器垂直中心线的底部和顶部。
刀盘组件用螺栓安装在切刀轴端。切刀刀片用螺栓固定在刀架上，在刀刃磨损超过2mm前，需更换切刀。为了获得合适的刀刃与模板间隙，在往刀架上安装刀片时，所有的刀刃需要预先调整，使高低偏差在0.03mm以内。刀刃的材料是碳化钛(复合型)，其他部分的材料是不锈钢。
1.4 模板的加热方式
目前造粒模板的加热方式基本有以下三种:
(1)电加热：一般适用于年产能力小于1万吨的 小型造粒设备上。(2)蒸汽加热：一般适用于年产能力7万吨以下的造粒设备上。(3)油加热：目前应用在年产能力较大的造粒设备。
一般小型造粒模板通过外圆端面加热孔安装若干加热棒对模板造粒区域进行加热。其特点是加热迅速，温度控制灵活稳定。早期的蒸汽加热造粒模板采用高压蒸汽进入到造粒带外环和内环，对造粒模板工作区域进行加热。缺点是造粒带温差较大，物料颗粒不均匀。造粒模板以蒸汽或导热油为加热介质，以某种进出加热通道为单元，在模板造粒带下方沿着单排或双排出料孔排布密集的导热通道，造粒带温差较小，造粒质量大幅度提高。随着单机造粒机组生产能力的不断提高，目前国际上逐渐采用便于控温的导热油加热方式。
1.5 影响水下切粒机产品质量的因素
(1) 切刀与模板匹配的对中度。造粒过程中，切刀紧密地贴合在模板表面上进行高速旋转切粒。这就要求模板切刀匹配对中度要达到技术要求，否则会引起垫刀、颗粒碎片多的问题，并造成切刀磨损严重。
(2) 切刀与模板之间的间隙。颗粒的长短、弯曲程度以及切刀的使用寿命受进刀压力和切刀转速匹配度的影响。进刀压力过大，会严重磨损切刀和模板；进刀压力过小，易发生垫刀和缠刀事故，影响产品质量。
(3) 切刀刀刃的硬度。切刀必须要有和模板相匹配的硬度，切刀材料过硬会使模板和切刀磨损严重，缩短使用寿命。切刀材料硬度过低，会造成切刀过度磨损，从而造成产品不合格。
(4) 切刀的锋利程度。切刀的锋利程度对产品外观影响较大，切刀越锋利，颗粒的断面越平滑，反之会发生拖尾甚至粘连等现象。
(5) 模孔的通畅状态和模板加热均匀性。熔融物料能否顺利均匀地通过模板的成型通道受模板加热均匀性的影响。只有每个模孔出料速度一致时，才能切出大小均匀的颗粒。如果温度控制不均匀，模孔物料的流速就会不均匀，会使颗粒出现长短不一。
(6)模板的表面粗糙度。模板切粒带的表面粗糙度应达到要求，否则会引起垫刀、颗粒碎屑多，影响模板和切刀的最佳匹配。
(7)切粒水对造粒的影响。切粒水循环量、压力和温度对产品质量都有很大影响。循环量过小，容易发生串粒等故障。水温过高，会发生串粒、缠刀和灌肠等事故。水温过低，会导致模板温度过低，容易冻堵模孔，同时树脂变得很脆，切粒时碎屑增多。
2 造粒模板国内外现状及发展趋势
2.1 造粒模板国外相关产业和技术现状、发展趋势
塑料造粒模板附加值很高，属于高科技产品。世界掌握造粒模板设计、开发及生产技术的只有美国、日本、德国、法国等少数国家，核心技术一直掌握在美、日、德等国制造商手中，形成了技术和价格垄断。近五年来造粒模板的价格上涨了一倍，一台30万吨级挤压造粒机的价格，已从2002年的五六百万美元，上涨到了近千万美元，而交货期时间却从10~12个月延至18~24个月，严重影响我国煤化工和石化工程项目的建设，制约了我国煤化工和石化工业的快速发展。
2.2 造粒模板国内相关产业和技术现状、发展趋势
长期以来，国内大型乙烯的生产装备全部依靠进口，虽然国家从“七五”开始就对此进行立项研发，但一直没有重大突破。我国大型石化企业目前使用的模板绝大部分由日本制钢所、日本神户制钢所以及德国WP公司提供。我国从20世纪 80年代末期开始进行塑料造粒模板的国产化工作并取得了一些可喜进展。但由于多方面的原因，目前造粒模板国产化工作进展仍不十分理想，许多企业仍旧依赖进口模板维持生产。进口模板的缺点是价格昂贵，供货周期长。许多企业为不影响生产，储备了一些库存，积压了大量资金。2010年，国内企业每年要花费数亿元人民币购买造粒模板。
3、模板的研究
3.1 模板的工作条件
聚合物挤出压力：约7.0~8.0MPa；工作温度：230℃；切粒室水温：50~70℃。
模板是水下切粒系统的重要组成部分，具备成型、加热、切割等三项功能。模板上有许多成型孔和特殊结构的喷嘴。它具备将熔融状态的树脂成型并最大限度地减少压力损失的功能。在模板中设计了各种形式的加热孔或通道。这些加热孔或通道内通入加热介质，对树脂进行加热，以防止树脂在型腔内凝固。本次国产化的模板加热方式采用蒸汽直接加热。
3.2 模板生产能力计算
模板生产能力是由工艺要求确定的，其计算公式2。
式中：R-聚合物的生产量，t/h；H-模板孔数；K-切粒刀把数；N-切粒刀转速，rpm；P-每克切粒数重量，粒数/g。
式中，每克重的切粒数是根据塑料产品技术指标中规定的颗粒产品的形状、几何尺寸，计算出每克产品有多少粒。而模板出料孔径的尺寸也依照产品技术指标的要求确定。
4、国产化设计及应用
4.1 造粒模板三维实体建模
首先对造粒模板的压机接口形式、接口尺寸和进口造粒模板进行测绘，在测绘的基础上，应用先进的三维软件Solidworks在计算机上完成造粒模板的三维实体建模，为后续在造粒模板的应力、应变分析基础上的强度和刚度设计以及对模板的流场和温度场的分析为基础的流道的优化设计奠定基础。
图1 造粒模板三维结构图
4.2 造粒模板的熔体流道的流场分析
应用SolidWorks软件建立熔体流道的3D实体模型，利用ANSYS软件CFD计算模块进行流场分析。
流场分析过程如下：(1)导入由SolidWorks软件建立的流道的三维实体模型；(2)在ANSYS软件中定义材料属性及参数，划分若干网格，建立有限元模型；(3)在ANSYS软件CFD环境中施加载荷和边界条件，主要确定入口、出口参数，设置壁面类型以及物料初始温度、初始压力等；(4)在ANSYS软件CFD环境中指定求解器进行有限元求解获得CFD解；(5)求解之后，利用CFD环境中的后处理模块获得流场的速度分布、压力分布等结果云图和矢量图；(6)对数值分析的结果云图或矢量图进行分析，选取最优的熔体流道设计方案。
图2 熔体流道三维实体模型
4.3 造粒模板的加热流道的流场和温度场分析
加热介质的循环方式是由模板中加热介质进出接口的数量决定的，热介质进出接口的数量又是根据聚合物的熔点确定的。对熔点较高的聚丙烯，造粒模板一般采用较多的热介质进出接口。模板的热介质进出接口多，热介质在模板停留的时间短，热损失少，加热更加充分和均匀。模板热介质进出接口可以分为：一进一出、二进一出、二进二出、三进一出、三进三出、六进六出和八进四出等多种形式。根据隔断方式设置的不同，本项目设计了多个方案的三维实体模型。然后利用ANSYS软件中的CFD分析模块对流道的流场进行分析，选择最优流场的设计方案，以最终保证模板的造粒质量。
图3 加热通道初始实体模型
图4 加热通道的流场分布云图
图4 加热通道的流场分布云图
4.4 造粒模板的强度与刚度分析及其结构优化
粒机模板刚度和强度直接关系到模板的使用寿命，是控制造粒机连续运转的关键因素。造粒模板的计算机三维建模，是基于辽阳斯佳机械配件有限公司目前拥有的造粒模板制造技术和专利，依靠对模板的接口形式。接口尺寸和进口造粒模板的测绘图纸的基础，利用三维软件Solidworks在计算机上完成了造粒模板的三维实体建模，并在此三维实体模型基础上进行结构优化研究。考虑到实体模型过大会导致划分的单元和节点数过大，会导致计算时内存溢出。经试验，对模板整体进行网格划分后进行有限元分析会造成内存溢出,因此分析时采用1/2实体模型进行网格划分。
对造粒模板进行网格划分形成有限元模型后，对模型施加边界条件和载荷。模板所受的力包括：螺栓紧固力、挤出机头筒体操作压力。加热蒸汽或导热油工作压力等，与挤出头接触面施加固定约束和对称面施加约束。
图5 剖切后的造粒模板温度分布云图
图6 造粒模板应力分布云图
图7 总变形云图
4.5 造粒模板的制造
造粒模板主要由不锈钢的模板本体和硬质合金层两部分组成，造粒模板制造的关键技术是不锈钢的模板基体与硬质合金层的复合。复合后模板的技术要求：在工作温度和工作压力下，切粒刀与模板复合层的当量切割次数大于4.8×109次时，复合层不允许有脱块。点蚀等现象。模板的本体材料为不锈钢1Cr13，其主要加工表面包括：外圆、内孔、沟槽等表面，可采取车削。钻削、铣削、磨削等冷加工的机械加工方法以及电火花和线切割等特种加工方法完成加工。为保证零件的加工质量。材料机械性能和优质的使用性能，还需合理地采用热加工工艺，如热处理工艺和氢弧弧焊接方法。模板本体与硬质合金层的复合采用真空钎焊方法，表面强化处理技术主要采用物理气相沉积(PVD)的方法进行表面喷涂工艺。
5、结论与展望
通过对进口挤压造粒机组造粒模板进行解剖，对模板的模体。熔体流道、加热通道和造粒带等进行深入研究，通过对进口模板进行测绘，从各部件的选材、结构、加热及熔体流道的流场､模体的应力场和应变场、温度场等进行分析，对结构进行理论分析，最终完成优于进口造粒模板使用效果和寿命周期的国产造粒模板的制造，将为相关装备的国产化提供有效的帮助和技术支撑，缩短与国外先进模板的距离。将分析结果应用于指导新的造粒模板的设计和制造，实现真正的设计和制造一体化，必将大大提高造粒模板的使用性能。这样不但可以节约大量外汇，还为企业降低生产成本做出了贡献，经济效益和社会效益相当可观。
参考文献
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［2］王希革. 造粒模板的研发与应用[D].兰州:兰州理工大 学,2006.
［3］王建. 水下切粒机的模板研究与分析[D].北京:北京交通 大学,2012.
［4］关成志. 聚丙烯造粒机造粒不规则原因分析及对策[J].河南 化工,2009,35(4):32-33.
［5］陈敏,赵轲. 挤压造粒机模板、切刀参数优化[J].机电工程 技术,2007,37(12):105-107.
［6］刘创涛. 聚丙烯挤压造粒机切刀断裂原因分析及对策[J].石油和化工设备,2011,14(8):57-59.
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